能量轉(zhuǎn)換的基本概念和基本定律.pptVIP

第二章 能量轉(zhuǎn)換的基本概念 和基本定律,第一節(jié) 基本概念,一 熱力系和工質(zhì) 1、熱力系 熱力學(xué)中所研究的對(duì)象稱為熱力學(xué)系統(tǒng)，簡稱熱力系。,常見的熱力系,(1)、閉口系：熱力系與外界沒有物質(zhì)交換。（C.M) (2)、開口系：熱力系與外界有物質(zhì)交換。 (C.V) (3)、絕熱系：熱力系與外界無熱量交換。 (4)、孤立系：熱力系與外界既無能量交換又無物質(zhì)交換。 (5)、簡單可壓縮系：熱力系與外界只有一種體積變化功的交換。 (6)、熱源：無限大的熱庫，吸入熱量和放出熱量后，溫度不變。,熱力系邊界的特點(diǎn),固定邊界 移動(dòng)邊界 真實(shí)的邊界界面 假想的空間界面,2、工質(zhì),實(shí)現(xiàn)能量相互傳遞與轉(zhuǎn)換的物質(zhì)（介質(zhì)）稱為工質(zhì)。 如：水蒸汽、 內(nèi)燃機(jī)中工作的燃?xì)?制冷劑 常用的氣態(tài)物質(zhì)等。,二 平衡狀態(tài)及基本狀態(tài)參數(shù),1、平衡狀態(tài) 在沒有外界影響的條件下，熱力系的宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變 化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)（平衡態(tài)）。 若系統(tǒng)的各部分之間沒有熱量傳遞,則系統(tǒng)處于熱平衡. 若系統(tǒng)的各部分之間沒有相對(duì)位移,則系統(tǒng)處于力平衡. 處于平衡態(tài)的熱力系，各處應(yīng)具有均勻一致的溫度、壓力等宏觀物理量。 實(shí)現(xiàn)熱力平衡態(tài)的條件（無化學(xué)反應(yīng)等其它不平衡勢(shì)）： 溫度平衡（熱平衡）。 壓力平衡（力平衡）。 處于平衡態(tài)的熱力系可用確定的壓力、溫度等宏觀的物 理量來描述。,2、狀態(tài)參數(shù)及其特點(diǎn),狀態(tài)參數(shù)； 描述熱力系統(tǒng)所外狀態(tài)的宏觀物理量。 狀態(tài)參數(shù)的特征： 只取決于狀態(tài)，與過程（路徑）無關(guān)。 數(shù)學(xué)特征,強(qiáng)度量狀態(tài)參數(shù)： 與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量無關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。 廣延量狀態(tài)參數(shù)： 與系統(tǒng)內(nèi)所含工質(zhì)數(shù)量有關(guān)的狀態(tài)參數(shù)。,3、基本狀態(tài)參數(shù),(1)、比體積 單位 m3/kg 密度,(2)、壓力（壓強(qiáng)）,單位：Pa 壓力的國際制單位： 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa 其它非國際制壓力單位： 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 atm： 1 atm = 101325 Pa 工程大氣壓 at (kgf/cm2);： 1 at = 9.8067104Pa 巴 bar，毫巴mbar 1 bar 1000 mbar105 Pa 毫米汞柱 mmHg： 1mmHg133.32 Pa 毫米水柱 mmH2O： 1mmH2O9.8067 Pa,壓力的測(cè)量（1）,當(dāng) p pb 時(shí) ，p = pb + pg p g 稱為表壓（壓力表） 當(dāng) p pb 時(shí)， p = pb - pv p v 稱為真空度（真空表）,壓力的測(cè)量（2）,p = pb + pg = pb + gh p = pb pv = pb gh pg: 表壓 pv：真空度,(3) 、溫度,物體冷熱程度的標(biāo)志；系統(tǒng)熱平衡的物理特征量。 熱力學(xué)第零定律： 當(dāng)物體C同時(shí)與物體A和B接觸而達(dá)到熱平衡時(shí),物體A和B也一定熱平衡。 這一事實(shí)說明物質(zhì)具備某種宏觀性質(zhì)。若兩個(gè)熱力系分別與第三個(gè)熱力系熱平衡，那么這兩個(gè)熱力彼此處于熱平衡。這一宏觀物理性質(zhì)稱為溫度。 溫標(biāo)： 熱力學(xué)第零定律是溫標(biāo)的理論依據(jù)。 a、熱力學(xué)溫標(biāo): 水的三相點(diǎn)為 273.16 K,單位“開爾文” 是水有三相點(diǎn)溫度的1273。16 T 單位 K， T = 273.15 + t b、攝氏溫標(biāo) 水的三相點(diǎn)為0.01 ，水的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為100 。 t 單位 t = T - 273.15 （有關(guān)溫度熱力學(xué)溫標(biāo)在第二定之后有嚴(yán)格證明）,三 狀態(tài)方程、坐標(biāo)圖,1、狀態(tài)方程 基本狀態(tài)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式稱為工質(zhì)的狀態(tài)方程。由狀態(tài)公理得：只有兩保獨(dú)立變量） F (p,v,T) = 0 或 p=p(T,v); v = v (p,T); T = T (p,v),2、坐標(biāo)圖 二個(gè)獨(dú)立變量時(shí)，可以用平面圖表示。而平面上的任意一點(diǎn)則代表了一個(gè)平衡狀態(tài)；所有的狀態(tài)都可以在平面上找到。,四 準(zhǔn)平衡態(tài)過程和可逆過程,1、準(zhǔn)平衡態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）過程 定義：由一系列偏高平衡態(tài)不遠(yuǎn)的狀態(tài)組成的熱力過程稱為準(zhǔn)平衡態(tài)過程。 準(zhǔn)平衡態(tài)過程的實(shí)現(xiàn)過程 過程進(jìn)行得非常緩慢，平衡破壞后能自動(dòng)恢復(fù)平衡，且恢復(fù)需時(shí)間（弛豫時(shí)間）很短，過程中隨時(shí)都不致遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)。 準(zhǔn)平衡態(tài)過程就可在p - v圖上用連續(xù)曲線表示。, 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)過程的條件是： 熱平衡 T 0 力平衡 p 0,2、可逆過程（理想過程）,定義 如果系統(tǒng)完成某一熱力過程后，再沿原來路徑逆向返回原來的狀態(tài)，并使相互作用中所涉及到的外界也回復(fù)到原來的狀態(tài)，而不留下任何變化，則這一過程為可逆過程。 可逆過程準(zhǔn)平衡態(tài)過程無耗散效應(yīng) （耗散效應(yīng)：通過摩阻、電阻、磁阻等使功變?yōu)闊岬男?yīng)） 可逆過程不僅要求工質(zhì)內(nèi)部是平衡的，而且要求工質(zhì)與外界的作用可以無條件地逆復(fù)。,五 功和熱量,功和熱量是熱力過程中系統(tǒng)與外界交換的不同形式的能量。 1、功（膨脹功或體積功） W ：表示系統(tǒng)與外界交換的膨脹功(外界得到的膨脹功量）。 根據(jù)功的定義，功可表示為 Fdx或Fdx 對(duì)于熱力系 F dx = pA dx = pdV,問題: 對(duì)于一個(gè)準(zhǔn)平衡態(tài)過程，過程中有確定的p、V，所以可 以得到確定的pdV和 pdV ，但是它是否就等于系統(tǒng)與外界交換的膨脹功？,結(jié)論：只有在可逆過程中才有 W = pdV W = 12 pdV w = pdv w = 12 pdv 以后在pv圖及Ts圖中凡是用實(shí)線畫出的過程都表示可逆過程。,有用功Wu、無用功Wr和耗散功Wl,閉口系膨脹過程中用推動(dòng)大所所消耗的功稱為無用功Wr. 過程中由于耗散效應(yīng)所消耗的功稱為耗散功Wl ，則有用功Wu為,Wu WWrWl (111),Wrp0(V2 V1) p0 V (112),可逆過程時(shí)Wl=0,2、熱量,熱量是系統(tǒng)與外界之間在溫差的推動(dòng)下，通過微觀粒子無序運(yùn)動(dòng)的方式與外界交換的能量。 Q : 表示系統(tǒng)與外界交換的熱量。 若過程可逆則： Q = TdS Q = 12 TdS q = Tds q = 12 Tds w和q都是過程量而不是狀態(tài)量,六 熱力循環(huán),工質(zhì)從某一初態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列熱力狀態(tài)后，又回到原來初態(tài)的熱力過程稱為熱力循環(huán)，即封閉的熱力過程，簡稱循環(huán)。,1、正循環(huán)（動(dòng)力循環(huán)）(順時(shí)針方向) 吸熱q1，放熱q2，對(duì)外作功wnet ， 且wnet = q1 - q2，熱效率為t t= wnet / q1,2、逆循環(huán)（制冷循環(huán)） (逆時(shí)針方向) 放熱q1，吸熱q2 ，外界輸入功wnet ， 且wnet = q1 - q2，制冷系數(shù)為 = q2 / wnet,本節(jié)所介紹的不是工程熱力學(xué)基本概念的全部，在以后的章節(jié)中還將出現(xiàn)新的基本概念，到時(shí)將一一論述。,問答題,1、基本狀態(tài)參的哪幾個(gè)？為什么稱他們?yōu)榛緺顟B(tài)參數(shù)？ 2、什么是平衡態(tài)？實(shí)現(xiàn)平衡態(tài)的條件是什么？ 3、什么是可逆過程？實(shí)現(xiàn)可逆過程的條件是什么？ 4、可逆過程的膨脹功w、技術(shù)功wt如何計(jì)算？如何在p-v圖上 表示可逆過程的膨脹功w和技術(shù)功wt ？ 5、寫出絕對(duì)壓力p、表壓pg、真空度pv之間的關(guān)系式。測(cè)量 容器中的壓力時(shí)，壓力表上的讀數(shù)不變，容器中的壓力是 否會(huì)發(fā) 生變化？,第二節(jié) 熱力學(xué)第一定律,一 熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì),熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。,熱是一種能量，機(jī)械能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熱能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，在轉(zhuǎn)變過程中保持量的守恒。,二 熱力學(xué)能和系統(tǒng)的總能量,1、熱力學(xué)能,(1)、外部儲(chǔ)存的能量: 系統(tǒng)由于宏觀運(yùn)動(dòng)所具有的能量。 動(dòng)能 Ek 勢(shì)能 Ep 。,(2)、內(nèi)部儲(chǔ)存能量: 系統(tǒng)內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)的內(nèi)動(dòng)能、相互作用的內(nèi)位能及維持分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)能和原子核內(nèi)部的原子能等。 這些能量總稱為熱力學(xué)能。,熱力系所儲(chǔ)存的能量可分為外部能量和內(nèi)部能量：,在無化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)的簡單可壓縮系統(tǒng)中,由熱力學(xué)能所包含的能量形式可知，熱力學(xué)能是狀態(tài)參數(shù)。,比熱力學(xué)能可表示為：,根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)可有：,熱力學(xué)能 U 單位 : J 或 kJ 比熱力學(xué)能 u =U/m 單位 : J /kg 或 kJ/kg,2、系統(tǒng)的總能量,三 熱力學(xué)第一定律的能量方程式,根據(jù)熱力第一定律，對(duì)于一個(gè)任意熱力系統(tǒng)，能量方程可寫成,進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)能量的增加 （29）,1、閉口系統(tǒng)的能量方程式,當(dāng)宏觀的動(dòng)能的勢(shì)能的變化可以忽略不計(jì)或系統(tǒng)靜止時(shí)E U，則第一定律的方程式可寫成,Q與W正、負(fù)號(hào)的規(guī)定,系統(tǒng)吸熱Q為正，放熱Q為負(fù)； 系統(tǒng)對(duì)外作功W為正，外界對(duì)系統(tǒng)作功W為負(fù),能量方程式（227）常寫成,上式的適用條件是：任何過程，任可工質(zhì)。,對(duì)于可逆過程,閉口系任何工質(zhì)、可逆過程的能量方程式可寫成,對(duì)于一個(gè)循環(huán),2、開口系統(tǒng)的能量方程式,(1)、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程,穩(wěn)定流動(dòng)： 流動(dòng)過程中開口系內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)（熱力學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)）不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。,穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)必有,穩(wěn)定系統(tǒng)的能量分析：,進(jìn)入系統(tǒng)的能量：,離開系統(tǒng)的能量：,系統(tǒng)能量的增加：ECV0,進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量系統(tǒng)能量的增加,由于m1=m2=m, 整理上式得,對(duì)上式兩邊同除以 m 得,(3)、焓的定義及物理意義,(2)、推動(dòng)功和流動(dòng)功,推動(dòng)功：,由于工質(zhì)移動(dòng)而傳遞的功稱為推動(dòng)功： pV,流動(dòng)功：,用于維持流動(dòng)所需要的功：(pV)=p2V2p1V1,定義： H=U+pV 或 h=u+pv 單位： J, kJ 或 J/kg, kJ/kg,焓的物理意義: 隨著工質(zhì)移動(dòng)的能量.。,(4)、技術(shù)功,比較式（228a)和（232）,若為可逆過程,引入技術(shù)功后穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式可寫為,若過程可逆,(5)、一般開口系統(tǒng)的能量方程,進(jìn)入系統(tǒng)的能量：,離開系統(tǒng)的能量：,系統(tǒng)能量的增加： esy,CV,在d間內(nèi),代入能量方程, 整理后得,四 穩(wěn)定系統(tǒng)能量方程式的應(yīng)用,1、動(dòng)力機(jī)（蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī),2、壓氣機(jī),壓氣機(jī)的耗功為 wc,3、換熱器,4、管道,5、節(jié)流,(1) 燃?xì)庠趪姽艹隹诘牧魉賑3 ; (2) 每干克燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中所作的功； (3) 當(dāng)燃?xì)赓|(zhì)量流量為5.6 kg/s時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輸出的功率。,燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖所示。已知在截面1處 h1=286 kJ/kg的燃料與空氣的混合物以 20 m/s 的速度進(jìn)入燃燒室，在定壓下燃燒，相當(dāng)于從外界獲得熱量q=879 kJ/kg。燃燒后的燃?xì)庠趪姽苤薪^熱膨脹到 3， h3=502kJ/kg.流速增加到 c3 。然后燃?xì)馔苿?dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)作功。若燃?xì)馔苿?dòng)葉輪時(shí)熱力狀態(tài)不變，只是流速降低。離開燃?xì)廨啓C(jī)的速度 c4 =150 m/s.試求：,例題：,解：（1）取13截面為熱力系統(tǒng),（2）取34截面為熱力系統(tǒng),又由“若燃?xì)馔苿?dòng)葉輪時(shí)熱力狀態(tài)不變”，,（3）功率為P,Pqmwsh34=5.6652 =3651.2 kW,試分析有無其它的解題思路？,問答題,1、熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是什么？ 2、工程熱力學(xué)中，熱力學(xué)能包含哪幾項(xiàng)能量的形式。 3、寫出穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量方程式，當(dāng)用于鍋爐、汽輪機(jī)及節(jié)流過程時(shí)方程的簡化形式。在以上三種過程中膨脹功的表現(xiàn)形式。 4、說明焓的定義式及物理意義。 5、寫出技術(shù)功的定義式。可逆過程的技術(shù)功在p-v圖上如何表示。 6、給一不可壓縮的流體絕熱的情況下加壓，熱力學(xué)能和焓如何變化？,第三節(jié) 熱力學(xué)第二定律,一 熱力過程的不可逆性及 熱力第二定律的實(shí)質(zhì),說明熱力過程進(jìn)行的方向、條件、和限度等間題的規(guī)律。其中熱力過程的方向性最為重要。,1、常見的不可逆過程,(1)、摩擦使功變?yōu)闊?(3)、有限溫差傳熱,(4)、自由膨脹,(5)、混合過程,(2)、電阻使電能變?yōu)闊?2、第二定律的實(shí)質(zhì),二 熱力學(xué)第二定律的表述,熱力學(xué)第二定律應(yīng)用范圍極為廣泛（諸如熱量傳遞、熱功轉(zhuǎn)換、化學(xué)反應(yīng)、燃料燃燒、氣體擴(kuò)散、分離、溶解、結(jié)晶、生物化學(xué)、生命現(xiàn)象、低溫物理、氣象等其他領(lǐng)域）。針對(duì)各類具體問題，熱力學(xué)第二定律有各種形式有表述，這里只介紹兩種最基本的、表達(dá)形式,1、克勞修斯說法 熱量不可能自發(fā)地、不付代價(jià)地從低溫物體傳至高溫物體。,2、開爾文說法 不可能制造出單一熱源吸熱、使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下 其他任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。,（第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的）,以上兩種說法是一致的。,如果違犯了開爾文說法，必將違犯克勞修斯說法。,熱機(jī)違犯了開爾文說法，最后聯(lián)合循環(huán)的效果違犯了克勞修斯說法,三 卡諾循環(huán)及卡諾定律,1、卡諾循環(huán) 工作于溫度分別為 T1 和 T2 的兩個(gè)熱源之間的正向循，由兩個(gè)可逆定溫過程 和兩個(gè)可逆絕熱過程組成。,卡諾循環(huán)的熱效率為,(1)、熱效率只與T1與T2有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。 (2)、熱效率只能小于1（第二類永動(dòng)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)）。 (3)、當(dāng)T1 T2時(shí)，熱效率為零。,2、逆卡諾循環(huán),3、概括性卡諾循環(huán),4、多熱源可逆循環(huán),吸熱量q1=面積ehgnme,放熱量q2 =面積elgnme,定義平均吸和放熱溫度,5、卡諾定理,定理一 在相同溫度的高溫?zé)嵩?T1 和相同溫度低溫?zé)嵩碩2之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關(guān)，與采用哪一種工質(zhì)也無關(guān)。,定理二 在相同溫度的高溫?zé)嵩碩1 和相同溫度低溫?zé)嵩碩2之間工作的一切不可逆循環(huán)，其熱效率必小于可逆循環(huán)的熱效率。,定理一證明,由于卡諾循環(huán)是這些可逆循 環(huán)之一，所以A、B兩 熱機(jī)的熱效率可用卡諾熱機(jī)的熱率表示,定理二證明,四 狀態(tài)參數(shù)熵,1、熵的導(dǎo)出,對(duì)任意可逆循環(huán)1A2B1，用絕 熱線a-g、b-f等循環(huán)進(jìn)行分割， 當(dāng)兩條線非常接近時(shí)，吸熱和 放熱可看成定溫微無過程，對(duì) 于微元卡諾循環(huán)abfga有,下標(biāo)r表示熱源參數(shù)。當(dāng)考慮放熱正負(fù)號(hào)時(shí)，上式可寫成,積分上式,T 是工質(zhì)的溫度，可逆時(shí)Tr=T，式（56）稱克勞修斯積分式。 由式（56）可知Qrev/T 具有狀態(tài)參數(shù)的特性，定義為熵。,對(duì)于狀態(tài)參數(shù)熵有,2、不可逆過程熵的變化,對(duì)于不可逆循環(huán)1A2B1有,考慮放熱正負(fù)號(hào)時(shí)，上式可寫成,上式稱為克勞修斯積爭式，將式(249)和式(252)結(jié)合，可得,式（253）稱為熱力學(xué)第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式之一。,現(xiàn)在分析不可逆過程1A2過程的熵變,為了計(jì)算1A2過程的熵變，增加可逆過程 2B1，這形成一個(gè)不可逆循環(huán)，則,所以不可逆過程1A2的熵變?yōu)?將式（250）和（254）合并得過程的熵變,上面這些都可稱為第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。,3、熵流與熵產(chǎn),對(duì)于閉口系，式（254）可以在右邊加一項(xiàng)，使不等號(hào)變?yōu)榈忍?hào),Sf,Q稱為熵流,它是由于系統(tǒng)與外界交換熱量引起的;Sg稱為熵產(chǎn),它是由于不可逆因素引起的。,Sf,Q可正可負(fù)，也可等于零；,Sg大于或等于零。,絕熱系與外界設(shè)有熱量交換，故沒有熱量引起的熵流，則,五 熵增原理,對(duì)于孤立系，由式（254）可得,上式的含義為：孤立系內(nèi)部發(fā)生不可逆變化時(shí)，孤立系的熵增大,dSiso0; 極限情況（發(fā)生可逆變化）熵保持不變, dSiso =0;使孤立系熵減小的過程不可能出現(xiàn)。簡言之，孤立系統(tǒng)的嫡可以增大或保持不變，但不可能減少。這一結(jié)論即孤立系統(tǒng)熵增原理，簡稱熵增原理。,注意：熵增原理只適用于孤立系統(tǒng)。至于非孤立系，或者孤立系中某個(gè)物體，它們?cè)谶^程中可以吸熱也可以放熱，所以它們的熵既可能增大、可能不變，也可能減小。,熵增原理的實(shí)質(zhì),一、熵增原理闡明了過程進(jìn)行的方向，即dSiso0 。,二、 熵增原理指出了熱過程進(jìn)行的限度，即dSiso0 。,三、熵增原理揭示了熱過程進(jìn)行的條件（孤立系的熱過程中 有部分物體熵減小，必有部分物體的熵增大的相伴隨）。,熵增原理全面地、透徹地揭示了熱過程進(jìn)行的方向、限度和條件，這些正是熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)。由于熱力